MEMS壓力傳感器是什么？它的工作的原理是什么？

MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫(xiě)，即微電子機(jī)械系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)(micro/nanotechnology)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動(dòng)。

MEMS用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)未來(lái)人類(lèi)生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。MEMS壓力傳感器就是一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的壓力傳感器。MEMS壓力傳感器利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子元件相結(jié)合的方式來(lái)測(cè)量壓力值，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

MEMS壓力傳感器由微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)制造而成，通常由微機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子元件組成。其中微機(jī)械結(jié)構(gòu)通常包括薄膜、彈簧、振膜等，而電子元件則包括電容、電阻、電感等。當(dāng)外部壓力施加到MEMS壓力傳感器的振膜上時(shí)，振膜發(fā)生微小的變形，這個(gè)變形會(huì)引起微機(jī)械結(jié)構(gòu)中的彈簧或薄膜的變形。這個(gè)變形會(huì)導(dǎo)致微機(jī)械結(jié)構(gòu)中的電容、電阻等電子元件發(fā)生微小的變化。這些變化可以被電路測(cè)量和放大，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。通過(guò)測(cè)量輸出電信號(hào)的大小，就可以確定外部壓力的大小。

MEMS壓力傳感器具有小型化、高精度、高靈敏度、低功耗等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。例如，MEMS壓力傳感器可以用于測(cè)量液體或氣體的壓力，以及測(cè)量血壓、呼吸等生理信號(hào)。由于其高性能和低成本的優(yōu)勢(shì)，MEMS壓力傳感器已成為壓力傳感器領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。

MEMS傳感器的種類(lèi)根據(jù)其工作作用、工作原理、工作環(huán)境的不同種類(lèi)繁多，今天主要介紹的是其中的一種：MEMS壓力傳感器。目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機(jī)械電子傳感器。

(1)MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度能達(dá)0.01%～0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力硅薄膜會(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)電阻應(yīng)變片因此而發(fā)生電阻變化，破壞原先的惠斯頓電橋電路平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。

(2)電容式壓力傳感器利用MEMS技術(shù)在硅片上制造出橫格柵狀，上下二根橫隔柵成為一組電容式壓力傳感器，上橫隔柵受壓力作用向下位移，改變了上下二根橫隔柵的間距，也就改變了板間電容量的大小，即△壓力=△電容量。

MEMS傳感器的加工工藝需要用到MEMS技術(shù)，基于已經(jīng)相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。它與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光工藝等，但是有些復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)難以用IC工藝實(shí)現(xiàn)，必須采用微加工技術(shù)制造。微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過(guò)在犧牲層薄膜上沉積結(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)可動(dòng)結(jié)構(gòu)。陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷基板具有更牢，更低阻的金屬膜層，陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40 ～135 ℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。

MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子：如TPMS、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器(TMAP)、柴油機(jī)共軌壓力傳感器;消費(fèi)電子：如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調(diào)壓力傳感器，洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽(yáng)能熱水器用液位控制壓力傳感器;工業(yè)電子：如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱(chēng)重等。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的逐步到來(lái)，傳感器現(xiàn)正被廣泛應(yīng)用于包括各類(lèi)智能終端、智能汽車(chē)、生物醫(yī)療等在內(nèi)的眾多新興領(lǐng)域，需求量與日俱增。